5月29日下午，由北京大学图书馆和物理学院联合主办的“学科之美系列讲座——物理之美”第八场讲座在图书馆南配楼艺术鉴赏厅举行，物理学院助理教授刘佳作了题为“从基本单元到相互作用：世界的物理之美”的讲座。60余位师生和校友报名参加现场讲座，近12万人次通过北京大学微信视频号、抖音、快手、现代物理知识杂志视频号等平台观看讲座直播。讲座由物理学院博士生何宇新主持。

讲座现场

 刘佳指出，现代物理学已经在宏观宇宙和微观粒子两个极端尺度上建立起清晰而深刻的知识图景：广义相对论与宇宙学标准模型描绘宇宙的演化与结构，量子场论与粒子物理标准模型则刻画基本粒子及其相互作用。粒子物理不仅关乎最小尺度的微观规律，也与早期宇宙、高能宇宙线等极端物理环境密切相关，使人类得以在最大与最小尺度之间探寻自然规律的内在联系。

刘佳作讲座

 讲座中，刘佳以五个问题为主线展开讲述：世界由哪些基本单元构成，基本单元之间如何发生相互作用，相互作用的形式为什么如此简洁，基本粒子为何具有质量，以及在人类已经建立的理论图景之外还存在怎样的未知。他从古代中国“五行”与古希腊“四元素”等关于世界本原的早期想象谈起，介绍现代粒子物理如何沿着“向内追问”的路径，不断从分子、原子、原子核、质子和中子深入到夸克与轻子等基本粒子，展现了从复杂现象中寻找简单组成的“简洁之美”。同时，他也以多体系统中涌现现象为例，说明大量粒子组成整体后会产生无法由单个粒子简单推出的新规律，呈现出物理世界的“涌现之美”。

 在相互作用部分，刘佳以滑冰场上两人传球改变运动状态为例，形象说明在量子场论中，力可以理解为媒介粒子的交换。他介绍，电磁相互作用由光子传递，弱相互作用由 W、Z 规范玻色子传递，强相互作用由胶子传递；这些看似不同的“力”，都可以放在粒子与量子场的共同语言中描述。从苹果落地与行星绕日背后的万有引力，到电、磁、光在麦克斯韦方程中的统一，再到物质与力在量子场论框架下的统一，刘佳带领听众体会物理学以少数基本原则解释丰富现象的“统一之美”。

 随后，刘佳重点阐释了“对称之美”。他以球形在任意方向旋转后保持不变为例，说明对称性并不只是视觉上的匀称与和谐，在物理学中更是一种能够约束自然规律的深层原则。对称性的要求可以决定物理对象和相互作用的形式，也可以通过诺特定理与守恒律建立直接联系：时间、空间和旋转对称性分别对应能量、动量和角动量守恒，而粒子物理中的内部对称性则与电荷、色荷等量子数的守恒密切相关。在粒子物理标准模型中，电磁、弱、强三种相互作用分别对应不同的规范对称性，它们虽表现各异，却可以用统一而紧凑的数学结构加以组织，展现出现代物理学以对称性理解自然规律的独特魅力。

 围绕基本粒子的质量起源，刘佳进一步介绍了电弱统一、对称性自发破缺与希格斯机制。他指出，希格斯机制的关键思想在于：自然规律本身可以具有高度对称性，但系统所选择的真空状态却未必保持这种对称性。正是这种“物理规律对称，而真空不一定对称”的自发对称性破缺，使光子保持无质量，而使W、Z 玻色子获得质量。为什么不同基本粒子的质量差异巨大？刘佳用会场中人群与进入会场的“名人”相互交谈、因而移动变慢的比喻，帮助听众理解粒子与希格斯场相互作用后获得质量的图像：粒子与希格斯场的相互作用越强，其质量通常也越大。他指出，希格斯粒子的发现完成了对电弱对称性破缺机制的重要验证，也使人们能够以更深层的方式理解“质量来自相互作用”这一富有哲思的物理命题。

 在讲座最后，刘佳回到物理学面向未知的开放问题。他以“夜色中的路灯”比喻人类已知的标准模型：灯光照亮的区域凝聚着简洁、对称与统一的理论成就，而更广阔的黑夜仍包含希格斯等级问题、中微子质量起源、暗物质、暗能量、正反物质不对称、三代粒子结构以及引力量子化等重要谜题。面对这些问题，物理学家正在沿着能量前沿、精度前沿和宇宙学前沿三条道路继续探索，期待在新的实验和观测中发现超越现有理论的新规律。

讲座结束后，刘佳与在场师生进行了互动交流，耐心解答了听众的疑问。

主讲嘉宾简介：

刘佳，北京大学物理学院助理教授，博雅青年学者，从事粒子物理唯象学理论研究，方向为超出标准模型的新物理方向，具体研究内容为暗物质物理、对撞机物理、希格斯物理、中微子物理、粒子天体物理。 

文字：张凌岳、周建超、刘秀文

照片：桑磊、刘秀文